某水庫除險加固工程存在的問題及加固方案分析

陳俊宇

（云南建禹勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650000）

1 工程概況

某水庫主要由大壩、壩下輸水涵洞、溢洪道等建筑物組成（圖1），大壩為黏土心墻壩，壩高22.7 m，壩頂長99.5 m，壩頂寬度5.0 m，總庫容292 萬m3，設計標準為100 年一遇，校核標準為1000 年一遇，屬Ⅳ等小型水庫工程，主要建筑物級別為3 級，次要建筑物級別為4 級。該水庫原設計是一座以供水為主，兼有防洪等的小型水利樞紐工程，但后期水庫的供水納入水務集團進行統一調配后，水庫于2017年6 月份開始停止供水。本次除險加固水庫功能的確定立足于水庫現狀，并充分考慮與后期市政建設和經濟發展的需要、區域水資源分配及下游河道補水的需求相結合，水庫屬于綜合利用水庫，水庫功能以防洪為主，兼顧對下游河道補水。水庫下游的社區屬于該流域內經濟發展速度最快的社區之一，水庫下游影響人口達30 萬，水庫大壩一旦出現事故，將會對下游構成嚴重威脅，后果不堪設想，國家、集體財產和人民群眾的生命財產安全將會遭到重大的損失。現狀是樞紐建筑物均存在問題，水庫存在安全隱患，因此需對水庫各樞紐建筑物進行必要的工程處理，才能滿足現行規范安全要求。

圖1 水庫平面布置圖

2 水庫安全鑒定情況

大壩除險加固前，經安全鑒定，主要存在以下問題：（1）大壩壓實度為71.65%～83.70%，壩體壓實度不符合《碾壓式土石壩設計規范》中對3 級中、低壩及以下中壩壓實度96%～98%的要求。（2）該水庫設計工況大壩壩頂高程及防浪墻頂高程不能滿足100 年一遇的設計洪水，現狀工況大壩壩頂高程及防浪墻頂高程不能滿足100 年一遇的設計洪水和1000 年一遇的校核洪水標準；水庫現狀工況壩前設計、校核洪水位分別抬高0.69 m 和0.7 m，這樣土壩就有溢壩、潰壩風險，建議立即解決溢洪道淤積問題，清理堆土，采取工程措施加高壩頂和防浪墻頂高程，以免影響行洪。（3）水庫溢洪道進口段兩岸山體存在滑坡風險，且現狀溢洪道兩側邊墻均為漿砌石結構，普遍存在砌筑砂漿不飽滿、砌筑砂漿強度低、局部擋墻出現空洞、坍塌等現象。（4）下輸水涵為直徑1 m 的圓形鋼管，尾部分設直徑0.6 m 和0.8 m 的供水管和放空管，進口鑄鐵轉動門蓋及啟閉設備無法關閉，僅靠下游蝶閥控制放水，存在安全隱患，鋼絲繩、通氣管以及輸水涵管有輕微銹蝕。輸水涵作為水庫的放空管使用，因其啟閉設備無法正常操作，僅靠下游蝶閥控制放水，存在安全隱患。

本工程總體設計將以“安全水庫、達標水庫、效益水庫”為原則，打造“功能性+生態性+共享性=3.0型水庫”，即：

安全水庫——通過大壩的加高培厚和充填灌漿，新建輸水涵，溢洪道邊墻及上部邊坡的加固，使水庫在主體防洪調蓄方面的結構安全。

達標水庫——通過完善水庫運行管理制度，完善水庫監控、監測設施，使水庫達到規范化運行管理要求。

效益水庫——通過水庫除險加固，庫區危險邊坡整治，使水庫達到結構安全、水質達標、環境優美的目標，使水庫能充分發揮其防洪、供水的樞紐作用，充分發揮水庫的綜合效益。

3 水庫除險加固設計

3.1 大壩加固設計方案

3.1.1 大壩滲流穩定計算分析

本次大壩滲流穩定計算取壩體的最高斷面作為計算斷面，采用北京理正軟件設計研究院的《理正滲流分析軟件》進行計算，該軟件以《滲流計算原理及應用》《土工原理與計算》《有限單元法原理與應用》等為編制依據[1-2]，選擇大壩標準斷面采用有限元法進行滲流分析，軟件要求輸入的參數主要有大壩的典型斷面圖，各土層的滲透系數及相應工況下的上、下游水位。根據《碾壓式土石壩設計規范》中相關規定，大壩的滲透穩定分析應考慮水庫運行中出現的不利條件工況進行計算，對大壩允許滲透比降值與計算實際滲透比降值相比較，判斷滲流出口滲透破壞。

該水庫大壩各土層的滲流計算參數采用本次地質勘察成果見表1，由于壩體沿縱向長度遠大于橫斷面尺寸，符合平面假定，因此計算方法可采用平面穩定滲流有限元計算程序進行，計算采用二維飽和滲流的初流量有限元計算方法[3-4]，滲流及穩定計算應考慮水庫運行中出現的各種不利條件，計算工況見表2。

表1 壩體壩基物理參數表

表2 水庫滲透穩定計算工況表

采用最大壩高斷面（見圖2），由于水庫缺少實測數據，故無法與本次浸潤線計算進行對比，本次計算成果僅作為參考，各工況下滲流計算成果如表3 所示。

圖2 最大壩高計算斷面圖

表3 大壩滲流計算成果

本次計算結果中的浸潤線遵循隨庫水位上漲而提高、隨庫水位跌落而下降的規律，且少于允許的滲透坡降。

3.1.2 大壩加高培厚和充填灌漿工程

對現狀大壩采用黏性土進行培厚，筑壩材料采用黏性土，滲透系數不大于1×10-4cm/s，大壩培厚前，先挖除壩后坡表層土，刨松下游斜坡段老壩段，并與新填土共同壓實，壓實度不小于97%。壩后坡分三級坡，一級坡坡比為1∶2.5，坡面種植草皮，一級馬道高程為65 m，寬為2 m，二級平臺坡比為1∶2.75，坡面采用貼坡排水，二級平臺高程為57.2 m，二級平臺下部為新建排水棱體，坡比為1:1.5，加高培厚后大壩的壩頂高程為74.5 m，防浪墻頂高程為75.7 m。

為提高壩體的壓實度，本階段擬對壩體采用充填灌漿進行加固，采用黏土漿對壩體實施加固，注漿孔孔距為2 m，孔深按深入壩基2.5 m 控制，處理范圍按2/3 大壩面積進行計算[5]。

現狀水庫于2013 年完成了除險加固工程，除險加固工程當中對現狀壩體設置了砼防滲墻，依據本次段滲流計算分析，并結合現場大壩運行情況，現狀防滲墻的防滲效果較好，滲流穩定滿足規范要求，因此本工程擬沿用現狀防滲墻。

3.2 溢洪道加固設計

溢洪道水位泄量計算根據調洪演算成果，溢洪道水位泄量關系見表4。

表4 設計洪水位計算成果（起調水位71.8 m）

該水庫設計100 年一遇洪水位73.1 m，相應庫容270.4 萬m3，校核1000 年一遇洪水位73.76 m，總庫容291.18 萬m3。溢洪道兩岸邊墻及邊坡尚未進行治理，現場查勘發現均有不同程度的水土流失現象，局部邊坡有滑坡的趨勢，溢洪道進口段兩側的邊坡之前就出現過淺層滑坡，目前仍存在再次發生滑坡的風險，為了保證水庫泄洪安全，有必要對溢洪道兩側的邊墻及邊坡進行治理。

溢洪道左岸邊坡山勢陡峭，坡腳為5～10 m 寬的平臺，為減少土方開挖工程量，在平臺處新建一道5 m 高的C30 砼重力式擋墻，墻后回填粘性土，墻頂采用坡比為1∶1.5 的兩級邊坡與現狀山體進行銜接，同時在坡頂、坡腳處做好山體排水設施。

溢洪道右岸邊坡坡度較緩，本次采用格構梁+錨桿的方案對邊坡進行治理，設計坡比為1∶1.5，格構梁的尺寸為2 m×2 m，格構梁之間的空隙堆放生態袋，每隔2 m 設置一道錨桿，錨桿采用直徑為25 mm的鋼筋制作而成，長度初步擬定為10～15 m，邊坡沿豎向方向每隔5 m 設置一處馬道，寬度約為2 m，并在坡腳、坡頂及馬道處設置排水溝，完善邊坡排水系統[6]。

3.3 新建輸水涵

依據水庫安全鑒定情況，輸水涵洞結構基本完好，但其進口的啟閉設備已損壞，導致由其控制的轉動門蓋不能正常開啟和關閉，目前輸水涵僅靠壩后的蝶閥控制，存在一定的安全隱患。為此，本次項建擬新建一條輸水涵，布置在大壩右壩肩，長度為147 m，直徑為2 m，采用C30 鋼筋砼結構，進口處底高程為55 m，出口處底高程為54.71 m，設計縱坡為2‰，進口處設置一進水塔，配置一扇平板工作閘門，啟閉設備采用固定式卷揚啟閉機，運行方式為動水啟閉，孔口尺寸2 m×2 m，閘室底板厚0.8 m，檢修平臺的高程需根據水庫特征水位加波浪爬高、風壅增高后的安全加高值，且考慮與現狀檢修道路銜接等綜合因素，確定為76 m。輸水涵完工后，對原輸水涵進行封閉。

4 結論及建議

通過現場檢查和復核，得到水庫中大壩、溢洪道和輸水涵均存在問題，大壩帶病運行，輸水涵不能正常使用，溢洪道邊墻塌毀、岸坡存在滑坡并有進一步發展趨勢，整個水庫建筑物不能正常發揮作用，根據安全鑒定情況提出了建筑物加固方案，工程目前已完成除險加固，運行狀況較好。